优化网络工程专业主干课程教学内容体系的探索与实践

云红艳,潘振宽,赵志刚,高 磊

（青岛大学 计算机科学技术学院，山东 青岛 266071）

0 引 言

网络工程是新兴的工程教育专业,地方本科院校网络工程专业建设需要依据《计算机类专业教学质量国家标准》、工程教育专业认证要求和高等学校网络工程专业规范,通过强化专业内涵建设,提高人才培养质量[1]。当前高校网络工程专业在应用型人才培养上存在以下问题[2]:①网络工程专业课程知识体系更新慢;②专业课程实践教学案例和创新实验设计相对薄弱,理论与实践存在一定脱节;③网络环境受限、实验设备条件不足、设备更新慢;④以“教师为主”的传统课堂教学模式重在传授知识,忽视了学生的认知主体作用,对学生进行科学思维方法训练不足[3]。这些问题都不利于网络工程专业创新型人才的培养。

学生创新能力的提升离不开专业教育教学水平的提高,而课程教学是高校专业教育教学的根本[4]。由于网络技术发展更新快、网络新应用层出不穷,必须根据网络技术的快速发展和社会需求,适时调整优化网络工程专业课程知识体系[5],以适应“万物互联”时代对高级网络技术人才培养的需求。思科网络技术学院面向全球教育机构免费提供“互联网+”信息技术基础等通识类课程以及面向网络工程专业和网络安全的课程,并免费提供相应的教学云平台、评测系统和模拟软件Cisco Packet Tracer。为此,我们在教学中试图融入思科课程教学内容,优化网络工程专业主干课程知识体系。

1 思科课程简介

思科“IT Essentials”(简称ITE)课程教学内容主要包含计算机硬件组成及组装、操作系统、网络、笔记本与移动电脑等基础知识。ITE课程的部分教学内容与网络工程专业一年级学生的学科导论课计算机科学导论教学内容相近。

“CCNA路由和交换:网络简介”(简称CCNA1)课程[6]的教学目标:①了解并描述支持数据网络和互联网通信的设备和服务;②了解并描述数据网络中协议层的作用;③了解并描述IPV4和IPV6环境中编址和命名方案对于数据网络各层的重要性;④计算并应用子网掩码和地址以完成IPV4和IPV6网络中的特定要求;⑤使用路由器和交换机构建以太网,使用命令行界面(CLI)命令执行基本的路由器和交换机配置;⑥利用常见的网络实用程序验证小型网络操作并分析数据通信量。

“CCNA路由和交换:路由和交换基础”(简称CCNA2)课程的教学目标: ①了解并描述基本的交换概念、思科交换机的操作和增强型交换技术;②了解并描述动态路由协议、距离矢量路由协议和链路状态路由协议;③小型交换机和路由器网路的配置和故障排除[7];④VLAN配置和VLAN间路由故障排除;⑤了解并描述访问控制列表(ACL)的用途和类型;⑥IPV4和IPV6的ACL配置、监控及故障排除;⑦了解并描述动态主机配置协议(DHCP)和域名系统(DNS)的操作;⑧描述、配置网络地址转换(NAT)的操作并对其进行故障排除。

“CCNA路由和交换:扩展网络”(简称CCNA3)课程的教学目标:①了解、配置和排除增强型交换技术故障,例如VLAN、快速生成树协议(RSTP)、增强型VLAN生成树协议(PVST+);②了解、配置和排除交换网络中的第一跳冗余协议(HSRP)故障;③了解、配置和排除无线路由器和无线客户端故障;④配置和排除复杂路由IPV4或IPV6网络(使用单区域OSPF、多区域OSPF和增强型内部网关路由协议EIGRP)中的路由器故障;⑤管理Cisco IOS配置文件。

“CCNA路由和交换:连接网络”(简称CCNA4)课程的教学目标:①了解并描述不同WLAN技术及其优点;②了解并描述虚拟专用网络(VPN)和隧道的操作和优点;③理解、配置串行连接并对其进行故障排除;④理解、配置宽带连接并对其进行故障排除;⑤理解、配置IPsec隧道操作并对其进行故障排除;⑥理解、配置网络地址转换(NAT)并对其进行故障排除;⑦使用系统日志、SNMP和NetFlow监控网络操作并对其进行故障排除;⑧了解并描述网络架构。

2 优化网络工程专业核心课程知识体系

选取思科ITE课程和CCNA系列课程融入网络工程专业主干课程教学知识体系,建立网络工程专业阶梯式竞赛梯队框架,如图1所示。

图1 融入思科课程优化网络工程专业主干课程教学知识体系框架

融合思科ITE课程优化计算机科学导论课程;融合思科CCNA1课程优化计算机网络原理课程;融合CCNA2课程优化路由与交换技术课程; 融合CCNA3和CCNA4课程优化“网络工程”课程。通过融合思科课程教学内容、实践教学案例,重新梳理专业课程教学知识体系、重构教学内容,推进优质教学资源建设,提升网络工程专业课程教学质量。学生在学习网络工程专业主干课程时,同步注册思科云平台学习相应思科课程,成绩合格可取得思科课程证书并参加相应的ITE、CCENT和CCNA等竞赛。

下面以计算机网络原理课程为例进行阐述。计算机网络原理课程主要讲授计算机网络的基础概念、基本原理和基本方法;要求学生掌握计算机网络的基础知识、TCP/IP 协议的体系结构、网络分层参考模型的各层功能和典型网络协议,了解典型网络设备的组成、特点和工作原理,能够运用计算机网络的基本概念、原理和方法进行网络系统的分析、设计和应用。

2.1 计算机网络原理课程教学内容优化

计算机网络原理课程教学内容优化如图2所示,选取CCNA1课程内容中的第2章配置操作系统、第5章以太网、第6章网络层、第7章传输层、第8章IP寻址等章节的部分教学内容和教学案例融入计算机网络原理课堂教学中,通过教学案例增加网络原理课程理论与行业应用实践相结合的教学内容。选用“十二五”普通高等学校教育本科国家级规划教材,谢希仁编著、电子工业出版社出版的《计算机网络原理》(第6版)作为教材。教材内容选取包含物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层的5层网络参考模型。教学中根据教材章节内容重点介绍第1章到第6章内容及第9章和第10章的部分小节内容;教学内容先总后分,第1章总体概述计算机网络原理的基本概念、体系结构、研究内容,然后按照网络5层参考模型分别介绍各层的功能、原理及算法。网络5层参考模型围绕两条主线来介绍(如图2虚线框内所示):一是网络各层协议和数据封装;二是网络各层典型网络互联设备的结构组成和功能原理。

图2 计算机网络原理课程教学内容优化

在教学讲授时,注重以下几个方面[8]:①讲透原理:计算机网络原理是根本(体系结构、算法原理),Internet技术是实例(协议、应用);②弱化介绍数据通信知识;③数据链路层围绕封装成帧、透明传输和差错控制3个问题展开;局域网广播技术是重点,要求学生理解竞争技术(重点介绍以太网802.3和第9章的无线局域网802.11);④点-点通信是端-端通信的基础,引入滑动窗口概念,在滑动窗口机制的讲授中强调流量控制;⑤网络层围绕分组交换技术,用教学案例和仿真软件模拟介绍IP协议、ARP协议、路由协议的功能原理,增强抽象协议的可理解性;⑥传输层中重点介绍TCP连接管理和拥塞控制;⑦应用层介绍DNS域名系统、文件传送协议FTP、电子邮件和万维网WWW等应用;⑧介绍下一代网际协议IPv6地址空间内容。

主讲教师讲授计算机网络原理课程时在思科云平台为学生注册开班,学生利用课下时间同步学习思科CCNA1的课程内容,作为计算机网络原理课程学习的课外补充。学生通过在线参加思科课程章节测试、PT技能考试、期末考试,考试成绩合格的学生可获得思科CCNA、课程结业证书。

2.2 计算机网络原理课程实验教学内容优化

实验教师选择思科课程实验教学案例和任务设计场景,为学生提供更多设计型实验项目和综合实验任务,以优化网络工程专业核心课程实验。通过加强学生实践应用能力培养,拓展学生网络知识技能训练。利用仿真软件剖析计算机网络协议的原理及工作过程,通过协议交互型实验设计验证,加深学生对网络协议的认知及开发设计理解;通过“进阶式”的实验方式,引导学生建立“协议分析-协议学习-协议开发-协议应用-协议测评”为主线的学习方式,从而深入掌握计算机网络协议知识;在实验中,强调学生的主动性和设计性,拓宽学生的思路。

Packet Tracer是思科公司推出的一款仿真软件程序,能够为思科认证网络工程师(CCNA)学习提供帮助。基于Packet Tracer可以方便地构建网络虚拟实验平台、模拟试验网络行为、构建网络模型并提出假设问题[9]。使用Packet Tracer可以仿真相对复杂的网络拓扑,且不受实验场地、实验环境和设备的限制。另外,思科云协作教学平台提供在线Packet Tracer实验技能测试题库和自动评分系统,方便师生利用思科云协作教学平台进行在线实验测试和评分。

根据计算机网络原理实验课程教学大纲要求,选取CCNA1的9个实验设计案例(见表1)。实验教师可根据实验课时选取表1中的实验用于计算机网络原理实验课教学。

表1 计算机网络原理实验课选取的CCNA1实验

3 结 语

2015年青岛大学计算机科学技术学院与思科公司合作成立“青岛大学思科网络技术学院”。2016年获批教育部-思科公司产学合作改革课程建设项目--“计算机网络原理”省级精品课程立体化建设。以培养网络工程专业创新人才为目标,以产学合作课程建设为契机,青岛大学计算机科学技术学院教师研究思科ITE课程和CCNA系列课程教学知识体系,选取思科课程部分教学内容、网络新技术和教学实践案例,重新梳理专业课程教学知识体系、重构组织教学内容;依托思科网院云协作平台实验环境和仿真软件Packet Tracer搭建课程虚拟实验平台,设计综合性课程实验项目和创新训练项目。

经过2学年4学期的教学实践,青岛大学计算机科学技术学院累计有6门次专业主干课程优化融合思科课程教学内容,在10个教学班中进行专业课程教学改革实践;累计超过500名学生在思科云平台同步注册在线学习ITE、CCNA1、CCNA2课程;组织超过50名学生参加大学生网络技术大赛和中国高校计算机大赛-网络技术挑战赛,并获得全国本科组比赛二等奖、全国三等奖和华东赛区比赛二等奖和三等奖;超过60名学生参加专业课程相关大学生创新创业项目;2017年青岛大学网络工程专业学生考研录取率接近40%。通过专业主干课程教学内容体系改革,更新了主讲教师教学知识结构,激发了学生专业学习兴趣,在教学实践中取得了较好的教学效果,切实提高了专业课程教学质量和人才培养创新能力。

[1]施晓秋, 蒋宗礼. 依据标准 强化内涵 提高网络工程人才培养质量[J]. 中国大学教学, 2016(1): 30-35.

[2]云红艳, 杨厚俊, 赵志刚, 等. 创新思维教学在网络工程专业课程群中的研究[J].计算机教育, 2013(14): 81-85.

[3]陈鸣, 谢钧, 刘鹏, 等. 计算机网络课程中的科学思维训练[J], 中国大学教学, 2013(3): 62-64.

[4]杨文斌. 全程产学合作培养应用型本科人才的思考: 基于高校教学运行的视角[J]. 江苏高教, 2014(2): 116-118.

[5]徐明, 曹介南. 高等学校网络工程专业培养方案[M]. 北京: 清华大学出版社, 2011, 10.

[6]Lammle T. CCNA学习指南(640-802)[M]. 7版. 北京: 人民邮电出版社, 2012.

[7]李永, 甘新玲. 基于Packet Tracer的路由综合实验设计与实现[J]. 实验室研究与探索, 2015, 34(9): 112-114.

[8]云红艳, 李琳, 赵志刚, 等. MOOC理念下“计算机网络原理”精品课程的立体化建设[J]. 计算机教育, 2016(9): 18-22.

[9]王振川. CCNA实验手册[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2012.